肖 偉, 張枝煥*, 陳 雪, 張學(xué)才， 張 嬋

(1.中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102200； 2. 中國石化勝利油田分公司油氣勘探管理中心， 東營 257000)

準(zhǔn)噶爾盆地石炭紀(jì)時(shí)期整體表現(xiàn)為早海晚陸、南海北陸的古地理演化格局[1-2]，弧后、弧內(nèi)、裂陷等沉積背景為烴源巖發(fā)育提供了條件[3-4]。伴隨著石炭系勘探工作的深入，勘探出克拉美麗等數(shù)個(gè)油氣來源石炭系地層的油氣田[5-6]，石炭系油氣成藏具備典型的源控特征[7-8]，搞清楚烴源巖的品質(zhì)、分布以及熱演化程度是尋找油氣的關(guān)鍵。目前已在烏倫古坳陷多套地層發(fā)現(xiàn)了油氣，前人研究發(fā)現(xiàn)這些油氣主要來自石炭系烴源巖[9-13]，反映了烏倫古地區(qū)石炭系具備生烴條件，但是在以往對(duì)成熟度高的烴源巖評(píng)價(jià)不重視，恰好研究區(qū)石炭系成熟度較高，導(dǎo)致研究區(qū)石炭系有效烴源巖的巖性類型、分布特征、演化規(guī)律及形成環(huán)境等方面的不清晰，加之前人對(duì)石北凹陷石炭系烴源巖的研究甚微，給研究區(qū)油氣資源潛力分析和下一步油氣勘探帶來很大困難，需要進(jìn)一步開展相關(guān)研究。本次研究在烏倫古坳陷中南部選取了ZB1井、ZB101井、ZB3井、WC1井、DB1井和DB2井石炭系烴源巖，對(duì)比了石炭系不同層段、不同巖性烴源巖的有機(jī)質(zhì)豐度、類型、成熟度及傾油氣性特征，并通過與研究區(qū)周邊已經(jīng)被證實(shí)具有氣源貢獻(xiàn)的滴水泉凹陷石炭系烴源巖地球化學(xué)特征的對(duì)比，綜合分析了研究區(qū)石炭系不同層段、不同巖性烴源巖的生烴條件以及有效烴源巖的巖性類型及分布特征。該研究成果深化對(duì)烏倫古坳陷中南部石炭系烴源巖的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，對(duì)下一步油氣勘探指明方向。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

如圖1所示[14]，烏倫古坳陷位于準(zhǔn)噶爾盆地東北部，由索索泉凹陷、石北凹陷和紅巖斷階帶三個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元組成[15]。烏倫古坳陷處于陸梁—克拉美麗島弧帶后翼弧后盆地沉積環(huán)境。由于經(jīng)歷了復(fù)雜的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，地層發(fā)育狀況相差很大，有的地區(qū)剝蝕出露到下古生界，有的地區(qū)地層發(fā)生倒轉(zhuǎn)和重復(fù)[16]，情況不一而足。目前DB1井和Q1井獲工業(yè)油氣流，Q002井和Q6井試獲工業(yè)氣流，ZB1井侏羅系至二疊系多套地層中見良好的油氣顯示，ZB101井三疊系又見豐富的油氣顯示，日產(chǎn)氣15 293 m3，展現(xiàn)了較大的勘探前景[17]。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地烏倫古坳陷構(gòu)造位置圖(據(jù)文獻(xiàn)[17]修改)Fig.1 Structural location of Wulungu Depression, Junggar Basin(modified according to ref.[17])

2 烴源巖分布特征

如圖2所示[18]，烏倫古坳陷石炭系厚度大，地層層序分布比較完整。部分鉆井揭示，除ZB3井鉆遇巴塔瑪依內(nèi)山組(巴山組)和姜巴斯套組外，ZB1井、ZB101井、WC1井、DB1井和DB2井均缺失上石炭統(tǒng)巴山組。巖性類型包括泥巖、炭質(zhì)泥巖、凝灰質(zhì)泥巖和凝灰?guī)r，其中凝灰?guī)r厚度最大，泥巖的厚度相對(duì)較小，但不同井區(qū)、不同層位巖性及厚度差別均較 大，如圖3所示，ZB3井巴山組炭質(zhì)泥巖厚度為171.5 m，凝灰質(zhì)泥巖厚度約為268 m，凝灰?guī)r厚度約612.4 m，泥巖厚度僅12 m；姜巴斯套組凝灰?guī)r厚度為290 m，泥巖厚度為6 m。WC1井姜巴斯套組厚度達(dá)2 103.6 m，其中凝灰質(zhì)泥巖厚度占到1 207.6 m，凝灰?guī)r厚度為621.6 m，泥巖厚度為222 m。部分其他井區(qū)石炭系地層及不同巖性烴源巖的分布特征如圖3所示。

圖2 準(zhǔn)噶爾盆地烏倫古坳陷石炭系地層綜合柱狀圖(據(jù)文獻(xiàn)[18]修改)Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of Carboniferous strata in Wulungu Depression, Junggar Basin(modified according to ref.[18])

▽代表此井未鉆穿該層位; GR為自然伽馬；SP為自然電位圖3 準(zhǔn)噶爾盆地烏倫古坳陷中南部石炭系連井地球化學(xué)剖面圖Fig.3 Geochemical section of the Carboniferous interwell in central and southern part of Wulungu Depression, Junggar Basin

3 烴源巖有機(jī)地球化學(xué)特征

3.1 有機(jī)質(zhì)豐度

如表1、圖4和圖5所示，巴山組泥巖有機(jī)碳含量(total organic carbon, TOC)為0.43%～3.55%，平均值為2.33%，40%樣品處于1.50%～3.00%，30%樣品小于1.50%，其余樣品大于3.00%；可溶烴+熱角烴(S1+S2)處于0.89～13.85 mg/g，平均值是5.02 mg/g，其中有66.67%的樣品大于2 mg/g，綜合評(píng)價(jià)是中等-好烴源巖。姜巴斯套組泥巖TOC為0.10%～4.77%，平均值為0.83%、94.26%的泥巖樣品小于1.5%；S1+S2處于0.04～6.80 mg/g，平均值是0.52 mg/g，其中95.65%的泥巖樣品小于2 mg/g；氯仿瀝青“A”處于0.040%～0.062%，有機(jī)質(zhì)豐度綜合評(píng)價(jià)是差烴源巖。

圖5 烏倫古坳陷中南部石炭系烴源巖TOC與S1+S2相關(guān)圖Fig.5 Correlation diagram of TOC and S1+S2 of Carboniferous source rocks in central and southern Wulungu Depression

表1 烏倫古坳陷中南部石炭系烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度綜合評(píng)價(jià)表

巴山組凝灰質(zhì)泥巖TOC為0.55%～17.34%，平均值為5.25%， 95.45%的樣品TOC高于1%；S1+S2是0.41～29.13 mg/g，平均值是5.85 mg/g， 95.24%的樣品小于6 mg/g；氯仿瀝青“A”處于0.022%～0.35%，平均值是0.11%，評(píng)價(jià)結(jié)果是中等-好烴源巖。姜巴斯套組凝灰質(zhì)泥巖TOC為0.05%～18.66%，平均值為2.20%，其中50%的泥巖樣品TOC小于0.60%；S1+S2處于0.04～19.03 mg/g，平均值是2.01 mg/g，71.74%的泥巖樣品小于2 mg/g；氯仿瀝青“A”處于0.003%～0.147%，平均值是0.069%，評(píng)價(jià)結(jié)果是差-中等烴源巖。

巴山組炭質(zhì)泥巖TOC為6.47%～29.73%，平均值為15.04%，其中61.54%炭質(zhì)泥巖樣品TOC大于10%；S1+S2是11.37～49.24 mg/g,平均值是29.55 mg/g，其中70%的樣品小于35 mg/g;氯仿瀝青“A”處于0.033%～0.481%，平均值是0.246%，評(píng)價(jià)結(jié)果是差-中等烴源巖。姜巴斯套組炭質(zhì)泥巖TOC為5.70%～17.12%，平均值為13.23%，其中66.67%的泥巖樣品大于10%；S1+S2處于6.51～35.04 mg/g,平均值是25.22 mg/g,其中66.67%的泥巖樣品大于10 mg/g；氯仿瀝青“A”處于0.013%～0.147%，平均值是0.069%，評(píng)價(jià)結(jié)果是中等烴源巖。

從橫向分布來看，石北凹陷石炭系烴源巖評(píng)價(jià)結(jié)果比索索泉凹陷好，其中ZB3井和ZB1井姜巴斯套組烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度低于ZB101井，ZB101井石炭系烴源巖TOC 大多在2%以上的趨勢(shì)，WC1井姜巴斯套組烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度高于DB1井和DB2井，WC1井石炭系烴源巖TOC大多處于0～2%，說明有機(jī)質(zhì)豐度從ZB3井、ZB1井到ZB101井逐漸升高，又從WC1井到DB1井、DB2井逐漸降低，研究區(qū)橫向上表現(xiàn)為先升高再降低。

3.2 有機(jī)質(zhì)類型

本次通過干酪根顯微組分[19]和熱解參數(shù)[20]分析了研究區(qū)石炭系烴源巖的有機(jī)質(zhì)類型。

顯微組分可以間接反映母質(zhì)來源。如表2和圖6所示，研究區(qū)石炭系巴山組凝灰質(zhì)泥巖和炭質(zhì)泥巖的鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組占比非常高；姜巴斯套組泥巖、凝灰質(zhì)泥巖和炭質(zhì)泥巖鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組占比同樣非常高，鏡質(zhì)組的占比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于惰質(zhì)組，反映出石北凹陷和索索泉凹陷石炭系烴源巖的母質(zhì)來源以高等植物為主。類型指數(shù)分布范圍得出，有機(jī)質(zhì)類型均為Ⅱ2-Ⅲ型。

表2 烏倫古坳陷中南部石炭系烴源巖有機(jī)顯微組分和有機(jī)質(zhì)類型劃分表

如圖6(a)所示，有機(jī)質(zhì)類型還可以通過巖石熱解參數(shù)HI-Tmax散點(diǎn)圖區(qū)分(HI是指熱解烴S2與TOC的比值，Tmax是指最高熱解峰溫)。研究區(qū)石炭系烴源巖樣品集中在Ⅱ2-Ⅲ型趨勢(shì)線附近，極少量樣品出現(xiàn)在Ⅰ型和Ⅱ1型區(qū)域。其中巴山組以Ⅱ2-Ⅲ型為主，少量炭質(zhì)泥巖樣品是Ⅱ1型，少量泥巖樣品是Ⅰ型，總體上巴山組以Ⅱ2-Ⅲ型為主。姜巴斯套組泥巖以Ⅲ型為主，凝灰質(zhì)泥巖主要是Ⅱ2-Ⅲ型，炭質(zhì)泥巖樣品數(shù)也較少，總體上姜巴斯套組有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ2-Ⅲ型為主。因成熟度偏高，有機(jī)質(zhì)易轉(zhuǎn)化為可溶烴(S1)、熱解烴(S2)，氫指數(shù)(HI)也會(huì)降低，所以整體石炭系氫指數(shù)偏低。

如圖6(b)所示，橫向上看，石北凹陷Ⅱ2型較多，索索泉凹陷以Ⅲ型較多，ZB3井、ZB1井和ZB101井的石炭系烴源巖有機(jī)質(zhì)類型都是以Ⅱ2-Ⅲ型為主，少許樣品分布在Ⅰ型和Ⅱ1型區(qū)域附近；WC1井石炭系烴源巖接近全部為Ⅲ型，DB1和DB2井主要分布在Ⅱ2-Ⅲ型趨勢(shì)線附近。

3.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

鏡質(zhì)體反射率Ro是目前反映成熟度最可靠的指標(biāo)，隨著成熟度的升高而增大。如圖7所示，無論是巴山組還是姜巴斯套組，Ro的最小值均超過0.5%。其中巴山組烴源巖Ro為0.63%～1.05%，平均值是0.84%，多數(shù)樣品處于0.7%～1.3%(成熟階段)；姜巴斯套組Ro分布在0.69%～2.04%范圍，平均值是1.47%，多數(shù)樣品處于0.7%～1.3%(成熟階段)和1.3%～2%(高成熟階段)。

Ro為鏡質(zhì)體反射率，是目前反映成熟度最可靠的指標(biāo)，隨著成熟度的升高而增大圖6 烏倫古坳陷中南部石炭系烴源巖HI-Tmax判別圖Fig.6 HI-Tmax discriminant map of Carboniferous source rocks in central and southern Wulungu depression

圖7 烏倫古坳陷中南部石炭系烴源巖鏡質(zhì)體反射率頻率分布Fig.7 Frequency distribution of vitrinite reflectance of Carboniferous source rocks in central and southern Wulungu Depression

如圖8所示，從研究區(qū)石炭系烴源巖Ro與深度關(guān)系上不難看出，深度越深大，Ro逐漸增大。如圖8(a)所示，不同井之間Ro隨深度的變化趨勢(shì)存在很大差別，其中WC1井、ZB1井、ZB101井、ZB3井石炭系烴源巖Ro的變化趨勢(shì)基本一致，約3 700 m時(shí)進(jìn)入成熟階段(Ro>0.7%)，在約5 250 m時(shí)進(jìn)入高成熟階段，6 200 m時(shí)開始達(dá)到過成熟階段；DB1井和DB2井成熟度變化趨勢(shì)與上述4口井存在比較明顯的差別，在相同深度情況下，其成熟度明顯高于上述4口井，說明橫向上成熟度逐漸增大，是由于烏倫古坳陷構(gòu)造演化過程中，南東側(cè)隆升幅度更大[21]，造成DB1井和DB2井的位置遭受抬升幅度大，通過DB1井、DB2井與其他幾口井石炭系烴源巖Ro的分布情況看，在研究區(qū)地層抬升之前石炭系烴源巖就已經(jīng)進(jìn)入成熟-高成熟階段。如圖8(b)所示，巴山組成熟度明顯低于姜巴斯套組。橫向上看，石北凹陷烴源巖成熟度明顯低于索索泉凹陷。

圖8 烏倫古坳陷中南部石炭系烴源巖鏡質(zhì)體反射率對(duì)比圖Fig.8 Contrastive map of vitrinite reflectance of Carboniferous source rocks in central and southern Wulungu Depression

3.4 烴源巖生烴潛力綜合評(píng)價(jià)

綜合分析表明，烏倫古坳陷中南部石炭系豐度較高，類型以Ⅱ2-Ⅲ為主，成熟度較高，以生氣為主。如圖9所示，巴山組泥巖TOC主要分布在中等-好區(qū)域，類型以Ⅱ2-Ⅲ型為主，主要是傾氣源巖；凝灰質(zhì)泥巖豐度較高，類型以Ⅱ2-Ⅲ型為主，為傾氣源巖；炭質(zhì)泥巖TOC主要分布中等烴源巖區(qū)域，類型為Ⅲ型，為傾氣源巖。姜巴斯套組泥巖TOC主要分布中等烴源巖區(qū)域，類型為Ⅲ型，為傾氣源巖；凝灰質(zhì)泥巖豐度較差，類型為Ⅲ型，是傾氣源巖；炭質(zhì)泥巖為中等烴源巖，類型為Ⅲ型，為傾氣源巖。

圖9 烏倫古坳陷中南部石炭系烴源巖TOC與HI分布圖Fig.9 TOC and HI distribution map of Carboniferous source rocks in central and southern Wulungu Depression

3.5 有效烴源巖分布特征分析

氣源巖能否有效排出天然氣，除了受有機(jī)質(zhì)豐度和類型影響以外，很大程度還受到成熟度的控制，當(dāng)TOC和生烴潛量達(dá)到下限值時(shí)，并非就一定可以有效排氣，還需達(dá)到高過成熟階段[22]。如圖10所示，目前研究區(qū)鉆井揭示的巴山組烴源巖Ro=0.63%～1.05%，平均值是0.84%，雖然部分烴源巖TOC和HI達(dá)到下限值，卻由于成熟度未達(dá)到氣源巖成熟度標(biāo)準(zhǔn)，不能作為有效烴源巖。姜巴斯套組泥巖Ro=1.44%～2.03%，平均值為1.63%，且部分姜巴斯套組泥巖TOC和HI達(dá)到下限值，所以可以作為有效烴源巖；姜巴斯套組凝灰質(zhì)泥巖的TOC和HI相對(duì)較好，Ro=1.04%～2.04%，平均值為1.31%，滿足有效排氣源巖成熟度的下限值。如表1所示，巴山組和姜巴斯套組炭質(zhì)泥巖TOC和生烴潛量均很高，但目前鉆井揭示巴山組炭質(zhì)泥巖Ro普遍在0.9%左右，所以也不能作為有效烴源巖，姜巴斯套組炭質(zhì)泥巖成熟度普遍在2.0%左右，達(dá)到了有效排氣源巖的標(biāo)準(zhǔn)。

圖10 烏倫古坳陷中南部石炭系有效排氣源巖判別圖Fig.10 Identification chart of carboniferous effective exhaust gas source rocks in central and southern Wulungu Depression

4 研究區(qū)與滴水泉凹陷石炭系烴源巖地球化學(xué)特征對(duì)比

目前，滴水泉凹陷已經(jīng)產(chǎn)出大量的天然氣，并且證實(shí)氣來源于石炭系巴山組和滴水泉組(松喀爾蘇組)烴源巖，本文中與已產(chǎn)氣的滴水泉凹陷對(duì)比，進(jìn)一步討論研究區(qū)石炭系烴源巖的生氣條件，前人對(duì)滴水泉凹陷做了大量的工作，有效產(chǎn)氣的是泥巖和炭質(zhì)泥巖并且統(tǒng)計(jì)前人滴水泉凹陷烴源巖地球化學(xué)數(shù)據(jù)[23-29]，如表3所示,其中滴水泉凹陷巴山組泥巖TOC=0.3%～5.87%，平均值為2.15%，S1+S2=0.23～11.28 mg/g,平均值為2.79 mg/g，氯仿瀝青“A”處于0.003%～0.077%，平均值為0.021%；巴山組炭質(zhì)泥巖TOC=6.2%～18.19%，平均值為6.14%，S1+S2處于13.25～27.2 mg/g,平均值為20.15 mg/g,氯仿瀝青“A”處于0.09%～1.026%，平均值為0.192%。滴水泉組泥巖TOC=0.40%～3.15%，平均值為1.24%，S1+S2處于0.28～1.8 mg/g，平均值為0.84 mg/g,氯仿瀝青“A”處于0.022%～0.089%，平均值為0.051%；滴水泉組炭質(zhì)泥巖TOC=18.20%～21.10%，平均值為19.65%，S1+S2處于1.63～9.79 mg/g,平均值為5.21 mg/g,氯仿瀝青“A”處于0.092%～0.363%，平均值為0.22%。

表3 烏倫古坳陷中南部與滴水泉凹陷石炭系烴源巖地球化學(xué)參數(shù)對(duì)比表

滴水泉凹陷巴山組泥巖和炭質(zhì)泥巖類型為Ⅱ2-Ⅲ型，其中主要是Ⅲ型，滴水泉組泥巖和炭質(zhì)泥巖類型為Ⅱ2-Ⅲ型，其中主要為Ⅱ2型。

滴水泉凹陷巴山組烴源巖Ro=0.7%～1.80%，處于成熟-高成熟；滴水泉組Ro=0.66%～1.71%，達(dá)到成熟-高成熟階段。研究區(qū)巴山組泥巖和炭質(zhì)泥巖TOC和S1+S2均高于滴水泉凹陷；研究區(qū)巴山組炭質(zhì)泥巖氯仿瀝青“A”均高于滴水泉凹陷；姜巴斯套組泥巖TOC、S1+S2和氯仿瀝青“A”均小于滴水泉凹陷滴水泉組泥巖；姜巴斯套組炭質(zhì)泥巖TOC、S1+S2和氯仿瀝青“A”與滴水泉凹陷滴水泉組質(zhì)泥巖向TOC和氯仿瀝青“A”低，S1+S2高；研究區(qū)石炭系烴源巖有機(jī)質(zhì)類型和滴水泉凹陷均主要發(fā)育Ⅱ2-Ⅲ型；研究區(qū)巴山組烴源巖成熟度低于滴水泉凹陷巴山組烴源巖；姜巴斯套組烴源巖成熟度與滴水泉凹陷滴水泉烴源巖接近，都處于成熟—高成熟階段。整體上來看，研究區(qū)石炭系與滴水泉凹陷石炭系發(fā)育著一套相似的海陸過渡相地層，產(chǎn)氣潛力很強(qiáng)，表現(xiàn)出極強(qiáng)的勘探潛力。

5 結(jié)論

(1)烏倫古坳陷中南部石炭系烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度較高，其中巴山組凝灰質(zhì)泥巖有機(jī)質(zhì)豐度最高，泥巖和炭質(zhì)泥巖有機(jī)質(zhì)豐度次之；姜巴斯套組炭質(zhì)泥巖有機(jī)質(zhì)豐度最高，泥巖和凝灰質(zhì)泥巖次之。石炭系不同層段、不同巖性烴源巖的有機(jī)質(zhì)類型均以Ⅱ2-Ⅲ型為主。石炭系烴源巖有機(jī)質(zhì)演化程度高，普遍達(dá)到成熟—高成熟階段。姜巴斯套組炭質(zhì)泥巖、泥巖和凝灰質(zhì)泥巖均能作為有效排氣源巖，而目前鉆井揭示巴塔瑪依內(nèi)山組烴源巖成熟度低，未能達(dá)到有效排氣源巖的標(biāo)準(zhǔn)。

(2)烏倫古坳陷中南部地區(qū)與滴水泉凹陷石炭系烴源巖的地球化學(xué)特征比較接近，研究區(qū)巴山組泥巖有機(jī)質(zhì)豐度高于滴水泉凹陷，炭質(zhì)泥巖有機(jī)質(zhì)豐度相比較高。研究區(qū)姜巴斯套組泥巖有機(jī)質(zhì)豐度低于滴水泉凹陷，炭質(zhì)泥巖有機(jī)質(zhì)豐度高于滴水泉凹陷。研究區(qū)烴源巖有機(jī)質(zhì)類型與滴水泉凹陷相近，都是以Ⅱ2-Ⅲ型為主。目前鉆井揭示的巴山組烴源巖成熟度低于滴水泉凹陷，姜巴斯套組烴源巖成熟度與滴水泉凹陷的接近。綜合反映出研究區(qū)姜巴斯套組是一套生烴潛力極強(qiáng)的烴源巖，為該區(qū)油氣勘探指明方向。